静电场描绘实验报告.doc

实验1 静电场描绘实验实验指导书 实验三 静电场描绘实验讲义 一、实验目的 1. 了解模拟法描绘静电场的依据及描绘方法。 2. 描绘几种静电场的等位线。 3. 加深对静电场，稳恒电流场的了解。 二、实验器件 THME-2型静电场描绘实验仪。 我们知道，带电体周围的电场分布通常是三维空间的，但当电场的分布具有某种对称性时，只要清楚某一个二维平面上的电场分布，即可知其三维空间的电场分布。如长直同轴电缆内的电场，长平行输电线间的电场等，这些场的特点是除靠近端部的区域外，在垂直于导线的任一平面内电场分布都是相同的。所以只要模拟测量出垂直于导线的二维平面内的电场分布即可。很多二维平面内的电场分布又是对称的，所以有时只要实际测绘一半的电场分布即可描绘出整个电场的分布。 用稳恒电流场模拟静电场时，如果用水作为电介质，若在电极间加上直流电压，则由于水中导电离子向电极附近的聚集和电极附近发生的电解反应，增大了电极附近的场强，从而破坏了稳恒电流场和静电场的相似性，使模拟失真。因此使用水为电介质时，电极间应加交流电压。当交流电压频率f适当时，即可克服电极间加直流电压引起的稳恒电流场分布的失真。交流电源频率f也不能过高，过高则场中电极和导电介质间构成的电容不能忽略不计。其次应使该电磁波的波长λ(λ＝C/f)远大于电流场内相距最远两点间的距离，这样才能保证在每个时刻交流电流场和稳恒电流场的电位分布相似。这种交流电流场称作“似稳电流场”。通常f选为几百到上千Hz，低至50Hz，也可使用。 四、实验内容与步骤 （一）模拟长同轴电缆中的静电场 模拟同轴电缆内静电场时，采用圆柱电极和水槽内的圆环电极（圆柱电极半径为a=1cm，圆环的内半径为b=13.8cm），电路连接如图1所示，则有： （1） 为计算方便，(1)式常改写为 （2） 式中，a=1cm圆柱电极半径，b=13.8cm为圆环内半径，r为测量点与圆电极中心点的距离。 对于本实验用仪器，以cm作为长度单位，则因为制造时已使＝1cm，故(2)式可简化为 （3） 图1 同轴电缆模型 实验步骤如下： 1.把圆柱电极放置水槽坐标板中心，圆环电极放置水槽周沿，用导电杆将它们压住。 2.倒入干净自来水，自来水的深度应和小圆柱上刻划的细线大致对齐。 3.通过调节三个水平调节螺钉，并观察水平泡，将装置调水平。 4.通过水槽上的两个接线柱，给电极施加电压U0，并且把输出的频率调节到200HZ 左右， 幅度为5～ 图2 长平行圆柱的模型及静电场分布 上述的长直同轴电缆内静电场基本上被封闭在电极之内，电极外电场极弱，所以模拟比较准确。本次测绘的长平行圆柱间的静电场见图（2）。由于水槽的面积有限，水槽边缘的电流线无法流到水槽外部去，只能平行于水槽壁流动，无法模拟无限大空间内的电力线分布，这样，水槽边缘部分的模拟失真较大，只有中央部分的测绘才是比较准确的。 实验步骤如下： 1. 把上个实验中所用电极从水槽中取出。 2. 把两个大的圆柱（半径均为14mm）放在导电杆下合适的位置（具体位置自定，中心距大致为4-5cm），并用导电连杆将其分别压住，使其接触良好。 3. 把实验箱上的电源接到水槽的两个电极A，B施加电压U0。 4. 测量坐标（0，-1）点的电压值，并记录此值Ui。 5. 用探针沿槽底的坐标均匀地选取若干个电压同为Ui的等位点。记下这些点的坐标值。 6. 换取不同的坐标点，如（-1，-1；+1，+1等）； 7. 根据以上测量，画出静电场分布图。 （三）平行板间的静电场 平行板间静电场的示意见图（3）。 图3 平行板的模型及静电场分布 实验步骤： 1. 把上个实验中的两个圆柱从水槽中取出，把两块平行板（长度均为160mm，两平行板间距离约为80-120mm）放入水槽中合适的位置（具体位置自定）。并用导电连杆将其压住，使其接触良好。 2. 把实验箱上的电源接到水槽的两个电极A，B，并施加电压U0。 3. 用探针沿槽底的坐标均匀地选取若干个电压同为Ui的等位点。记下这些点的坐标值。 4. 换取不同的U值，重复以上测量。 5. 根据以上测量，画出静电场分布图。 （四）模拟长圆柱与平板之间的静电场 其静电场如图（4）所示。 图4 圆柱与平行板的模型及静电场分布 实验步骤如下： 1. 把上个实验中的两个平行板从水槽中取出，把一个半径为14mm的圆柱和一块平行板（长度均为160mm）放入水槽中合适的位置（具体位置自定）。并用导电连杆将其压住，使其接触良好。 2. 把实验箱上的电源接到水槽的两个电极A，B，并施加电压U0。 3. 用探针沿槽底的坐标均匀地选取若干个电压同为Ui的等位点。记下这些点的坐标值。 4.